基于IGBT器件的大功率高壓直流斷路器數字驅動的設計

曾進輝，樊楊杰，何東，劉湘，廖曉斌

(1.湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007；2.株洲福德軌道交通研究院，湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著電力電子技術的發展，電力電子設備不斷滲透到各個領域，其中功率開關管是電力電子裝置中的關鍵器件，絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)成功結合了MOS場效晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)的工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單等優點與電力晶體管(power transistor，giant transistor，GTR)的耐壓高、載流大等特性，被廣泛運用于軌道牽引、新能源發電、高電壓直流輸電等領域[1-4]。以IGBT作為驅動的電力電子電路，將接收到的控制信號進行處理，包括信號的隔離以及放大[5-7]，所以在高電壓大功率電路中，IGBT模塊對電力電子器件的性能具有重要意義[8-9]，驅動電路是否正常運行對模塊的工作狀態具有決定性作用。因此，選用IGBT作為本文研究所涉及的主功率器件。

針對在大功率高壓直流斷路器場合中出現過壓過流等不能及時檢測出故障并關斷保護斷路器等問題，文獻[10-11]提出了一種采用輔助電流源的主動柵極控制方式。通過檢測發射極電流和集射極電壓判斷IGBT的開關狀態，在特定階段向柵極注入或抽取電流，在不影響開關速度的前提下抑制電流、電壓過沖，但硬件電路復雜，難以實際應用。文獻[12]采用復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)，在器件開關過程的不同階段采用不同的驅動電壓，以實現對電流、電壓過沖的抑制。這種方法控制靈活，但是需要針對不同應用場景進行編程，無法大規模應用。文獻[13]利用數字驅動IC精確調節驅動信號，優化驅動波形來提升功率器件的開關性能，可以在降低總開關損耗的同時抑制浪涌電壓。但是數字化控制方法需要使用高速模數轉換器(ADC)對開關變量進行采樣，成本高，還需要高性能控制器對采樣數據進行處理。此外，A/D轉換和數據處理過程造成的高延遲也會影響控制效果的準確性。文獻[14]提出在器件開關的特定階段同時改變柵極電阻并向柵極注入電流，以達到控制電流、電壓過沖和振蕩的目的，這種方法要同時調整兩個變量，控制復雜，實現困難。閉環驅動電路主要是通過IC、UCE或UGe閉環負反饋對IGBT的開通關斷進行控制。文獻[15-17]提出了一種基于UCE閉環反饋控制驅動電路，通過硬件電路建立UCE的閉環反饋回路，實時地將UCE與預先給定值UCE進行比較，通過高速運放電路實現對IGBT開關過程中UCE的控制。同樣，文獻[18]基于這種方法對IC也進行了有效調節，在IGBT開關過程中對IC與UCE同時進行雙閉環反饋控制，首先設置二者的參考值，在IGBT開通和關斷瞬間需要對IC與UCE的閾值進行快速精確地切換。但是IC與UCE之間的相互影響及IGBT對于工況的依賴，導致利用模擬式驅動電路實現電流、電壓雙閉環反饋存在較大的難度。鑒于模擬電路實現UCE與IC的雙閉環反饋控制難度大，文獻[19]提出利用數字化閉環反饋的方法實現對IC、UCE的控制，反饋信號的測量電路由無源器件組成，利用A/D轉換芯片對模擬信號(IC、UCE、UGe)采樣并轉換成數字信號送給數字處理器進行算法分析，然后給出相應的IG來實現對IGBT開關過程的控制。這種方法的優點在于采用數字化可編程處理器，控制方便靈活，系統集成度大大提高，但是對于大功率IGBT，集射極UCE的電壓跨度大，對于傳感器及A/D電路精確度高，而參考電壓的產生復雜，難以提高可靠性。

為克服以上這些方法的種種不足，本文提出一種新的主動柵極驅動電路，主要原理為在開關過程中的高di/dt和高dv/dt階段減小柵極驅動電壓，從而減小電流和電壓的變化率，有效抑制電流、電壓過沖。采用現場可編程門陣列(field programmble gate array，FPGA)實現門極控制，可利用較簡潔的電路實現復雜模擬電路才能完成的有源門極驅動，并使斷路器從故障發生到IGBT組件完全關斷的時間更短，優化IGBT開關過程。同時在斷路器進行開關斷之前，驅動會進行自檢，實驗過程包含溫度檢測，可提高整個斷路器的安全性、可靠性、同步性。本文設計基于IGBT器件的數字驅動器，并運用在由3并6串共18只IGBT組成的10 kV/5 kA高壓直流固態斷路器中?？刂葡到y根據外部控制命令和工作狀態監測，實現IGBT組件快速開通斷關，并實現對檢測系統、控制系統、執行部件等環節的快速響應。

1 IGBT驅動器整體結構及控制策略

控制系統由核心控制器、輔助電源、IGBT驅動系統、光纖、電壓電流檢測機構、溫度檢測機構等組成，如圖1所示。

圖1 驅動器控制系統拓撲圖

核心控制器由FPGA+AD架構實現，系統包含1塊核心控制板和6塊驅動板。各環節從系統的可靠性、實時性、同步性出發，根據功能需求完成硬件設計，完成對外交互及內部邏輯判斷。作為自檢程序中的主機，發起自檢請求完成開機/開關動作前的系統自檢，實現遠程通信功能，實時監測斷路器內部各模塊(器件)工作狀態、IGBT及繼電器等器件驅動信號產生及反饋信號處理，判斷斷路器是否工作在短路狀態，并完成快速保護。硬件平臺包含兩類AD，一路用于關鍵信號如回路電流的快速監測，一路用于慢控信號(溫度、電壓、濕度)監測。

1.1 驅動器采樣結構

斷路器額定工作直流電壓為10 kV，在關斷瞬間電壓將上升至20 kV。為了整個量程都能準確測量，采樣電路采樣范圍需要為5～25 kV，隔離電壓在30 kV以上。斷路器額定工作電流為5 kA，在出現故障時，電流將升至20 kA以上。為了在整個量程內均能準確地測量出電流，選擇霍爾傳感器，按1～20 kA的范圍考慮電路設計，如圖2和圖3所示。

圖2 檢測IGBT的UCE端

圖3 檢測IGBT的UCG端

控制板觸發輸出光纖6路，輸出到IGBT的6個并聯組件的觸發板上。為確保6路光纖同步，6路輸出光纖由同一信號和控制電路控制，因此，驅動硬件功率較大，在設計驅動電路時需重點考慮。

系統包含6塊IGBT觸發板，每塊驅動3只并聯的IGBT。3只并聯IGBT為一個壓接件，觸發板就近安裝在壓接件上。為確保并聯的3只IGBT通斷的同時性，3只IGBT共用同一觸發電路。所以觸發電路的驅動功率需按3只IGBT驅動功率的總和來設計。同時，功率放大電路選用開關速度較快的CMOS管。

為確保6塊觸發板同步性，控制板觸發輸出光纖6路，輸出到IGBT的6個并聯組件的觸發板上。為確保6路光纖同步，6路輸出光纖由同一信號和控制電路控制，光纖選型、光電轉換、信號處理(CPLD)等電路元件盡量選用高速器件。另外，該觸發板應具有過壓、過流檢測功能。驅動系統主要拓撲如圖4所示。

圖4 觸發板拓撲圖

1.2 輔助電源結構

為了給驅動器的測試提供方法依據，使電源的測試能夠準確地進行，設計具有隔離作用的DC/DC開關電源，設計內容包括輸入、輸出電壓范圍，穩態電壓、頻率、相位誤差，輸入輸出多壓、欠壓及其恢復等，以及輸出為24 V/3 A和5 V/3 A輸出電路。

2 IGBT驅動器軟件設計及控制保護策略

系統控制流程包含自檢系統和運行系統兩部分。

自檢系統是為確保觸發同步性和可靠性。在斷路器開通前，系統以并聯組件為單位，自動對光纖、收發電路、電源、觸發電路和IGBT并聯組件的實時性和可靠性進行檢測。一旦檢測到某一組件故障，系統停止自檢，同時生成故障代碼并輸出故障指示。若自檢通過，控制中心同時對6個IGBT并聯組件發出開通命令。電平由3.3 V信號轉換±15 V。正常工作時，PWM信號的每次邊沿跳變，FB信號會延遲約220 ns變為高電平(無光)，大約持續700 ns來進行狀態反饋。IGBT短路時，經過設定的響應時間后，FB信號變為高電平(無光)，最多延遲4.8 μs(根據實際情況設定，與響應時間的和不大于10 μs)，此期間靠主控制器關斷IGBT。副邊電源或門極過載、短路時，FB信號至少維持500 μs的高電平(無光)狀態。副邊電源欠壓時，只有在恢復正常電壓后FB信號回到低電平(有光)狀態，正常工作時與短路時驅動與反饋信號波形對比如圖5和圖6所示。

圖5 正常工作時驅動與反饋信號波形

圖6 短路時驅動與反饋信號波形

2.1 自檢系統及安全保護

2.1.1 自檢流程

在主回路高壓電源(DC10 kV)和控制電源(220 V)上電且控制系統收到開機命令時，核心控制器對6個IGBT并聯組件依次進行檢測。首先通過TX1光纖發送1路IGBT導通信號，其余5路光纖TX2—TX6關閉，IGBT1組件導通，時間為200 ms。在此期間，觸發板IGBT-DRV1通過光纖RX1反饋高電平，表示IGBT1并聯組件處于導通狀態；同時，觸發板自動對IGBT1并聯組件中的3個G極信號和C、E之間的電壓進行檢測，判斷IGBT1并聯組件的實際通斷情況。若有故障，觸發板IGBT-DRV1立即通過RX1光纖反饋一定長度負脈沖，時間的長短表征故障類型，核心控制器判斷RX1光纖負脈沖時間生成故障代碼，同時關閉6路觸發光纖TX1—TX6。若在100 ms內驅動板未反饋故障，核心控制器認為IGBT1組件正常，關斷此組件一段時間后進行下一個IGBT并聯組件檢測。6路IGBT并聯組件都檢測完畢后一段時間，控制中心同時點亮光纖TX1—TX6，同時觸發6路IGBT并聯組件，整個固態斷路器開關導通，如圖7所示。

圖7 光纖指示燈

2.1.2 自檢過程安全性保障

自檢流程在每次導通動作前完成，此時系統兩端承受功率高壓10 kV，自檢過程為輪流導通IGBT組件，此過程中器件及系統的安全性尤為重要。

自檢前，6個IGBT并聯組件都處于關斷狀態，此時DC10 kV由6個組件共同承擔，每個I組件承受的電壓為10 kV/6=1 666.7 V。IGBT選型時額定電壓為4 500 V，耐壓能力足夠。自檢時，6個IGBT輪流導通，且同一時刻僅導通1組，此時10 kV由另外5組承擔，每組承受電壓為10 kV/5=2 000 V，仍低于額定工作電壓。因此自檢方法可以在保證其他器件絕對安全的前提下，完成核心控制器、觸發電路、輔助電源和IGBT健康狀態的全面檢測，并實現與外部系統的信息交換。

2.1.3 自檢信號發送與反饋

自檢過程中，核心控制器作為主機，通過6根發送光纖先后發出檢測波形。光纖TX1首先發出一段200 ms的高電平，在此期間，IGBT-DRV1觸發板作為自檢從機，自動對IGBT1并聯組件中的3個G極信號和C、E之間的電壓進行檢測，判斷IGBT1并聯組件的通斷情況，并通過光纖RX1將組件健康狀態、IGBT電壓比較器反饋至核心控制器。

驅動系統收到自檢控制信號后，通過光纖將組件信息反饋至核心控制器，如圖8所示。若組件無故障，則持續反饋高電平，反之，則反饋不同脈沖寬度的負脈沖，脈沖長度表征故障類型，反饋信號波形如圖9所示，故障類型對應的脈沖寬度見表1。

圖8 自檢控制信號示意圖

圖9 自檢反饋信號示意圖

表1 故障類型判斷

2.2 運行系統

運行系統包含主程序和慢控程序兩大部分。其中，主程序完成斷路器通斷相關的直接邏輯判斷與控制，慢控程序完成上位機交互、輔助狀態監測等功能，設計流程如圖10所示。

圖10 直流固態斷路器保護邏輯流程

主程序邏輯:正常工作時，控制系統監測系統狀態，如進出端電壓、主回路電流等，并將實時狀態反饋至上位機及外部狀態顯示燈。系統即時監測預充電指令，指令到達且系統自檢通過后，系統根據輸入輸出端電壓差執行預充電判斷，若壓差超過預設閾值，則導通預充電IGBT，直至壓差小于閾值后，關閉預充電IGBT，等待外部主開關分合指令。開通及關斷指令到達時，自檢通過，且預充電完畢或不需要預充電，系統導通主IGBT組件，并進入正常運行狀態的保護邏輯。保護邏輯包含三類保護:反時限保護、速斷保護和瞬態保護，三類保護并行執行，優先級并列。

慢控程序邏輯:慢控程序主要完成的功能包括啟機時預設參數的存儲器讀取、外部交互、工作狀態查詢及保護中斷處理。

系統模數轉換分為快速AD和慢速AD兩類，其中，慢速AD放置在驅動系統中，用于組件電壓采集及環境溫度監測。電壓信息用于斷路器兩端壓差計算、IGBT組件的C、E、G極電壓檢測。雙通道快速AD用于斷路器進出端電流采集，用于采集所有RC濾波處理。

1)電流保護閾值計算方法:

式中，I為實際電流值；CountI為12位數字量；RI為電流傳感器輸入電流采樣電阻；KI為運放調理增益。

2)電壓保護閾值計算方法:

式中，V為實際電壓值；CountV為16位數字量；KV為運放調理增益。

3)瞬態保護閾值計算方法:

式中，THΔ為電流瞬態保護閾值；CountI1、CountI2為相鄰2 μs內電流采樣的16位數字量平均值。

4)反時限保護時間計算方法:

式中，T為反時限保護時間，μs；CountT為16位寄存器數字量，100為內部計時器周期100 μs；P為IGBT可承受的最大過載功率；I為回路電流；R為等效導通內阻；KT為修正系數。為簡化軟件運算量，保證響應快速性，軟件實現時采用分段式查表方法。

5)溫度計算方法:

式中，Temp為反實際溫度，℃；CountTemp為16位采集數字量；RT為溫度采樣電阻值；KR為所選熱敏電阻比例；KT為溫度采樣電路運放調理增益。

3 實驗及分析

通過搭建在10 kV/5 kA斷路器實物平臺中進行實驗，分別進行了功能、絕緣耐壓、串聯均壓、并聯均流、溫升等實驗來驗證該驅動器的可行性及正確性。測試IGBT采用的是壓接型IGBT，詳細參數見表2。其中，TC為環境溫度，tp為持續時間，VR為二極管阻斷電壓，Tvj為工作結溫。

表2 IGBT具體參數

3.1 功能實驗

按實驗平臺搭建實驗硬件實驗環境，利用電纜連接直流電源模塊輸出正極至斷路器一端，斷路器另一端連接至阻性負載正極，負載負極與直流源負極相連接。連接斷路器的通信接口至上位機PC(可通過外部的按鈕控制通斷)，220V AC電源至市電插座(系統增加UPS電源，保證控制電的不間斷)。斷路器控制直流電源模塊上電，上位機發送合閘指令(外部控制開關)。通過示波器檢測輸出負載端電壓來判斷斷路器是否導通，等于輸入直流源電壓則為導通，最后關閉直流電源(主回路電)。在斷路器上電狀態下，實現所有寄存器配置及回讀，對比驗證正確性。采用直流源機電組負載組合，測試系統搭建如圖11所示，其中包括用調壓器整流輸出加電容作為直流源的直流電源模塊、上位機PC、24 V的LED報警燈。

圖11 功能實驗平臺原理

3.2 絕緣耐壓實驗

模擬斷路器額定工況，搭建實驗平臺，如圖12所示，其中包括輸出380～6 000 V AC的可調變壓器，六脈波整流器，2并10串的5 000 μF/1 200 V的儲能裝置C1，4串50 kΩ/300 W的負載R1。經可調變壓器調壓后，連接至不可控整流裝置，經儲能電容后串接斷路器及負載。三相交流電經整流器整流為直流，現有實驗室功率進線為350 kV·A，故大電流實驗時，需要配備電容器組進行瞬時能量儲備，電容器組包含1 200 V/5 000 μF電容20個(2個并聯后串一起，組成10串，可滿足直流母線電壓10 kV)。

圖12 開通關斷實驗平臺原理

3.3 IGBT并聯均流實驗

為驗證IGBT驅動器驅動6組IGBT開關斷的同步性，從確保安全角度考慮，取1組3個IGBT開關先進行小電流實驗，測試其均流情況及開關的同步情況。先給斷路器預充電，設置IGBT電流閾值為450 A，由圖13可知，通道1為檢測斷路器兩端母線電壓，通道1—3為檢測3個并聯的IGBT電流。在斷路器在開通過程中，檢查到通道1電流為167.91 A，通道2電流為151.5 A，通道3電流為150 A，電流超過預設的閾值后，驅動器僅用33.14 μs實現了關斷，通過3個通道1—3電流可知，均流度大于90%，忽略采樣及實驗過程損耗等因素誤差，實現了并聯均流功能。

圖13 IGBT并聯均流波形圖

3.4 IGBT串聯均壓實驗

為驗證IGBT驅動器驅動6組IGBT開關斷的同步性，從安全角度考慮，先以高電壓低電流的形式，以1 kV為一個等級進行測試，確保實驗的嚴謹性。其中，IGBT組有6組，由于實驗設備有限，先檢測4組，再檢測后2組與前2組進行對比。如圖14和圖15所示，采樣誤差為±60 V。驅動器檢測到4組IGBT開關兩端電壓超過閾值后，僅同時用840 ns實現了關斷，可看出6組IGBT在閾值設置為1 kV時，超過閾值時實現了同步性關斷過程。

圖14 電壓1 kV前4組IGBT波形圖

圖15 電壓1 kV另2組與前2組IGBT對比波形圖

當斷路器在做最大電壓電流等級實驗時，當母線電壓電流超過設置的閾值(10 kV/5 kA，即圖中a點)后，驅動器檢測到斷開斷路器點b，整個過程反應時間僅6.4 μs，滿足要求，其電壓尖峰也在IGBT規格書安全范圍之內，如圖16和圖17所示。

圖16 驅動器反應時間

圖17 斷路器電壓電流波形圖

3.5 溫升實驗

水冷裝置水流量設置為單管2.5 m3/h，壓力0.3 MPa；示波器的隔離電壓探頭分別連接斷路器X1、X2兩端、主回路IGBT的CE兩端，電流探頭監測斷路器主回路銅排，并調至合適比例，保證波形完整清晰。在斷路器內部增加多個關鍵節點溫度探頭及溫度試紙，其中，溫度探頭用來測試各節點實時溫度，溫度試紙用于監測實驗過程中的最高溫度。斷路器上控制電源，保持斷路器為斷開狀態。當開關柜合閘后，監測斷路器X1、X2端電壓是否為額定工作電壓100 V，按發送導通指令，記錄斷路器X1、X2端及IGBT的CE極電壓波形、回路電流波形，監測斷路器進出水口溫度并記錄，保持斷路器導通，持續工作24 h，每隔10 min記錄各參數。當開關柜分閘后，采用外部泄放電阻將電容能量耗盡，監測斷路器X1、X2端電壓是否為降至0 V后，關斷斷路器控制電源。實驗結果如圖18所示。

圖18 溫升實驗波形

實驗過程持續240 min，從實驗開始10 min后記錄溫度；IGBT與二極管溫升效果基本一致，最高絕對溫度86℃，相對于外部環境的相對溫升約51℃，滿足設計指標；散熱器與IGBT及二極管溫差基本恒定，約45℃。二極管溫度高于IGBT溫度的原因是器件封裝不同，二極管電流通路包含2對進出線銅排，IGBT包含3對進出線銅排，二極管單銅排上承受的電流大于IGBT單銅排電流。同時，IGBT封裝尺寸相對于二極管增大約1/3，散熱面積也相應增加，故IGBT在節壓相對較高的情況下，實測溫升反而小于二極管溫升。

4 結語

針對數字驅動器目前存在的優勢，利用FPGA控制技術實現開通和關斷多級控制的數字驅動器的整體設計、各部分功能，并制作了驅動器實物用于驗證硬件功能的測試。在10 kV/5 kA的高壓直流斷路器中，搭建實驗平臺，進行設置IGBT電壓電流閾值實驗，通過實驗波形得出以下結論:

1)滿足各開關的同步性和關斷的及時性，證明該IGBT數字驅動器在大功率應用場合中具有能夠快速關斷的功能，IGBT開關過程得到優化。

2)通過1個驅動器驅動3個IGBT開關的方法，同時保障了18個IGBT的多個開關斷路器的安全性、可靠性、同步性。

3)該方案結構得到優化，易于實現多個IGBT組的串并聯、多路故障檢測，易于實現更高電壓等級的直流斷路器的應用。